再談MBR：破局的金鑰匙，“333”還有多遠？
時間：2022-09-01 09:34
來源：中國水網
作者：綠茵陳
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市政污水處理走到現在面臨兩個重要問題：城市水環境容量問題、污水資源化問題。有沒有可能以并不高昂的成本解決這兩個問題？現在行業里最聰明的人都在思考，能不能找到足夠好的辦法，既能改善生態環境，提高人民的幸福指數，又能提升污水再生利用率？最好還能在超標準完成任務的基礎上，不增加費用。
當前的污水處理行業已經發展到了從粗放走向精細化的階段，需要也能夠做到樣樣切開來，放到天平上稱一稱：到底哪一種工藝從成本、從水質、從環境效益來看是最優的。
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再談MBR：破局的金鑰匙， “333”還有多遠？
“333”破解“膜三貴”
第一個“3”目標：膜通量告別“精神內耗”
第二個“3”目標：氣水比降低，“電老虎”也會變
第三個“3”目標：噸水電耗回歸平民
結語：“333”是打開未來之門的金鑰匙
市政污水處理走到現在面臨兩個重要問題：城市水環境容量問題、污水資源化問題。有沒有可能以并不高昂的成本解決這兩個問題？現在行業里最聰明的人都在思考，能不能找到足夠好的辦法，既能改善生態環境，提高人民的幸福指數，又能提升污水再生利用率？最好還能在超標準完成任務的基礎上，不增加費用。
當前的污水處理行業已經發展到了從粗放走向精細化的階段，需要也能夠做到樣樣切開來，放到天平上稱一稱：到底哪一種工藝從成本、從水質、從環境效益來看是最優的。
“333”破解“膜三貴”
MBR是其中一個選項。考慮到水回用，MBR優勢明顯，因為其出水直接達到回用標準。而且它的出水，對于解決黑臭問題也是有很好效果的。MBR的劣勢也很明顯，“膜三貴”大家都知道：買膜貴（投資高）、用膜貴（運行成本高）、換膜貴（壽命短）。
8月初，E20水網固廢網發表了《污水處理MBR再次走到變革前夜，時代呼喚破局者登臺》的行業論述文章，沉寂良久的MBR行業掀起了熱烈的討論。針對“膜三貴”，提出的“333”目標能否實現呢？大家是有疑惑的。
在文章的留言區有一則評論提到：“‘333’目標要是實現，那就沒有其他工藝什么事了，太難了！” 一位膜行業資深專家也說：“太難了！目標的實現不僅僅涉及到膜組器應用層面的提升，更重要的是需要上游膜材料領域的顛覆性創新。”
“究竟有多難？”MBR真實的現狀水平和發展動態，距離目標還有多遠？懷著好奇，通過走訪、調研和信息收集等方式，我們想進一步弄清楚。
我們再回頭看一下這個“333”目標：對于日處理規模萬噸級以上的城鎮污水處理廠而言，能夠持續穩定運行的膜通量達到30LMH，膜吹掃氣水比降至3：1以下，MBR工藝污水廠全廠運行噸水電耗降至0.3kwh/m³以下。
專業人士認為，“333”目標的達成，意味著MBR工藝實現了與傳統工藝相同甚至更低的投資成本、運行成本和全生命周期綜合成本，而MBR工藝占地省、出水可直接回用的優勢依然保留，屆時行業將會重新定義。
第一個“3”目標：膜通量告別“精神內耗”
第一個目標是關于膜通量。膜通量指的是污水環境中單位膜面積的可持續產水能力，指的是每平方米膜每小時可以產多少升水，這個指標代表著膜產水效率的高低。
膜通量可能是MBR工藝污水廠的廠長吐槽最多的地方之一，設備采購時說好的15~18LMH膜通量，可用了兩年左右，膜通量就衰減到10~14LMH，設計的5萬噸/天的污水廠的實際產能，只能降低到4萬噸/天甚至更低。一般膜池土建設計有10~20%預留膜位，膜廠家像計劃好的一樣，到點啟動二次銷售，讓用戶再買一些膜把空位填滿。
所以對用戶來說，有意義的是可持續的膜通量。可持續膜通量越高，意味著處理相同規模的污水，用的膜面積越少，膜投資成本會降低，膜池的土建也會小，噸水膜吹掃的曝氣量也會小。簡單地說，膜通量高可化解“膜三貴”中的買膜貴和用膜貴痛點，也有助于減少膜生產制造環節的碳排放和能源消耗。
另一方面，可持續的膜通量與膜的使用壽命相關。膜的使用壽命到期，往往并不是機械結構損壞，而是膜通量出現了不可逆的衰減，頻繁藥洗也難以維持住通量。
孔徑大于100nm微濾膜的普遍壽命在5年左右，行業內已出現將膜孔盡可能做小的趨勢。早期歐美市場MBR也曾廣泛使用微濾膜，而近十年已完成了30~40 nm超濾膜對微濾膜的全面替代，這使得歐美市場的MBR膜的使用壽命大幅提升。
8月在業內的一個研討會上，蘇伊士的羅敏博士做了《可持續的LEAPmbr實現污水廠升級改造》的報告，提到在歐美市政領域MBR超濾膜的平均壽命已達到12.5年。
此外，在歐美很多項目中，超濾膜還經常在雨季按晴天流量的150~200%的通量運行，具有非常好的流量彈性，這對于污水廠應對雨季峰值流量和水體溢流污染控制，具有良好的應用價值。隨著越來越多的膜廠家將孔徑小于50nm的超濾膜應用于MBR，膜的使用壽命會越來越長。
膜孔徑均勻且開孔率高有助于提升可持續膜通量。2021年10月開始實施的《室外排水設計標準》，已經將MBR設計平均膜通量高值提高到25LMH。
關于膜通量，多個膜廠家曾提到市政污水廠MBR膜設備招標中常遇到的困惑：“國內招標文件經常會要求平均膜通量小于多少，例如≤15LMH（即對應的膜面積不能少于多少平米），生怕供應商少給膜，而在海外項目投標中，招標文件經常要求平均膜通量≥26或27LMH。有經驗的用戶非常清楚優質膜應該達到的膜通量，膜通量取值低意味著需要更多面積的膜，即使膜廠家不增加膜費用，對客戶來說也意味需要更多的膜池占地面積和土建投資，更多的膜吹掃鼓風機投資和膜運行能耗，噸水成本更高。”
據了解，蘇伊士（原GE）、科氏和世浦泰等在海外市政污水項目的運行平均膜通量多在25~28LMH。此外，世浦泰正在進行平均膜通量30~35 LMH的多個萬噸級MBR項目測試驗證。近些年來，國內也有較多膜廠家的膜通量性能得到了大幅提升，例如，碧水源推出了第四代S-MBRU膜組器，其膜通量和膜吹掃氣水比等關鍵技術性能，相比其第三代組器均有大幅提升。
MBR膜行業的第一個“3”目標時代已經到來。
第二個“3”目標：氣水比降低，“電老虎”也會變
膜的運行能耗，是MBR工藝污水廠的業主方和運營方經常抱怨的另一個點，而膜運行能耗占比最大的就是膜吹掃曝氣鼓風機的能耗。
膜吹掃氣水比越大，鼓風機運行能耗就越高。以往MBR膜高達8~12:1的氣水比，差不多是好氧池曝氣氣水比的兩倍左右，是MBR工藝污水廠全廠能耗最大的環節，被稱之為“電老虎”。這樣的高能耗導致一些用過膜的甲方“談膜色變”。
膜吹掃氣水比與膜通量、膜吹掃曝氣方式和膜裝填密度等三個因素均相關。
通過調研得知，隨著大氣泡節能脈沖曝氣技術的推廣，膜吹掃氣量已大幅下降。例如，碧水源的第四代S-MBRU膜組器采用了大氣泡脈沖曝氣，膜吹掃氣水比其第三代產品大幅下降，膜吹掃氣水比從9:1降低至6:1以下，節能幅度明顯，完全達到了相關領跑者標準氣水比指標中的先進水平，該標準中氣水比即是≤6：1。這反映出國內MBR膜產品在節能方面取得的巨大進步。
本月，中信環境技術的彭贊國博士在線上行業分享活動中，介紹了福州市福清融元污水廠案例，該廠憑借雙層膜組器的高裝填設計，及配套大氣泡脈沖曝氣，實現了美能膜的膜吹掃氣水比近3:1。在采訪中了解到，世浦泰也有多個項目的實際運行膜吹掃氣水比達到了3:1以下。
看來，第二個“3”的目標也是可以實現的。
第三個“3”目標：噸水電耗回歸平民
根據新加坡PUB公開的新加坡某MBR污水處理廠的運行數據，其全廠運行噸水電耗僅為0.27kwh/m³。
對于日處理規模萬噸級以上的城鎮污水處理廠，MBR工藝污水廠全廠運行噸水電耗如果能夠降至0.3kwh/m³以下，就意味著基本達到了傳統工藝相同的運行能耗，具有非常重要的意義。
如果要將MBR工藝污水廠的全廠噸水電耗控制在0.3kwh/m³以下，就需要將生化池與膜系統的合計噸水電耗控制在0.23kwh/m³以下，特別要控制好有節能潛力的三個關鍵環節的電耗。
一是膜吹掃曝氣能耗需要控制在不超過0.04 kwh/m³，對應的需要將膜吹掃氣水比控制在不超過3:1，同時采用磁懸浮、空氣懸浮等節能型鼓風機。
二是降低回流泵能耗，區別于傳統MBR工藝的三級回流方式（膜池回流至好氧池、好氧池回流至缺氧池、缺氧池回流至厭氧池），新加坡PUB公開的新加坡某MBR污水處理廠則采用的是一級回流方式。
在近期的行業研討中，蘇伊士的羅敏博士和世浦泰的白海龍總工均提到了對傳統的MBR工藝進行優化，變三級回流為一級回流，大幅降低回流能耗，噸水電耗可控制在0.015kwh/m³以內。
三是好氧池曝氣采用節能型的微孔曝氣器等手段實現生化池曝氣能耗的降低，節能型微孔曝氣器在德國等歐洲國家應用較為廣泛，國內一些污水廠近幾年也已逐步開始應用，基于正常的市政污水進水水質，好氧池的曝氣能耗可控制在0.11 kwh/m³以內甚至更低。
而其他的用電環節，包括厭缺氧池攪拌、膜產水泵、膜化學清洗等，通常噸水電耗合計在0.065kwh/m³左右。
因此，通過提升膜性能和系統工藝優化，即可以實現全廠噸水電耗0.3kwh/m³的目標。
此外，業內已有廠家在嘗試MBR重力產水代替泵產水方式。如果膜重力產水將來能夠得到應用推廣，則膜系統的運行能耗還將會再降低0.03kwh/m³，更容易實現0.3kwh/m³甚至更低的噸水能耗。
結語：“333”是打開未來之門的金鑰匙
通過訪談、調研、資料分析發現，“333”目標正在實現。最吸引人的是，噸水電耗到了0.3度電，意味著MBR工藝在電耗上已經和傳統工藝基本持平，糾結成本的人可以放心了。
運營成本基本不增加的情況下，在現有污水處理廠的基礎上，提標改造時采用MBR工藝，順水推舟就可以實現污水資源化，有非常現實的意義。如果個別條件合適的廠子，再接上RO工藝，就可以直接比肩新加坡的新生水，作為城市的第二水源地了。
在這方面，我國的一些膜應用企業也在往前走。例如金科環境的唐山南堡污廢水資源化項目，采用高效曝氣生物濾池+超濾+反滲透+陽離子交換器的核心工藝，對含有高硫酸根、高硬度、有機物濃度高且生化性能差的化纖廢水進行深度處理，生產出的高品質再生水出售給南堡經濟開發區內三友集團化纖企業，實現“以水養水”，形成了環境企業真正的價值增值。
膜行業確實是今非昔比，通過全行業的持續努力，國際和國內膜材料和膜應用技術均取得了重大進步。“333”時代到來，那么“膜三貴”的行業痛點就會散去。
同時，我們也明顯感受到MBR行業從業者想要擺脫過去那種“群膜亂舞”的局面，在當前低碳和高質量發展的背景下，都有一種迫切的心情，想要為污水處理及膜行業尋找出一條面向未來的道路。
在2022（第二十屆）水業戰略論壇上，E20環境平臺首席合伙人傅濤提到了高質量發展時代環境產業的變革和發展方向。如何能夠從需求側促進膜廠家積極加大研發投入、通過技術創新提高產品性能，進而提升供給側的能力和水平，避免劣幣驅逐良幣，是未來膜行業變革方向之一。
打開未來之門，場景值得憧憬。“333”目標實現了將會怎么樣？“會為當前行業所面臨的一些關鍵需求的滿足和棘手痛點的解決，提供一把打開未來之門的金鑰匙。”一位行業資深人士判斷到。
就像鋰電池之于電動汽車、LCD之于顯示器，污水資源化、高標準再生水、土地集約化利用、雨季溢流污染控制、新興污染物治理、出水生物安全性……這些行業的關鍵需求需要滿足，棘手的痛點急待解決，讓水行業的我們一直在努力的路上。MBR行業期待著變革，未來有太多需要探索，彷徨之中隱含著大道，金鑰匙能否打開未來之門值得我們期待！
